血管内皮生长因子和缺氧诱导因子对软骨细胞凋亡的作用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.29.022

摘要/Abstract

摘要：

背景：骨关节炎是一种关节疾病，主要影响软骨，随着软骨细胞胞外基质的变化，软骨细胞发生凋亡，血管内皮生长因子在促进血管内皮细胞分裂与增殖、诱导血管生成中起重要作用。缺氧诱导因子是一种在细胞环境中的转录因子，因氧含量而产生不同反应，血管内皮生长因子和缺氧诱导因子在抑制软骨细胞凋亡中的作用受到研究者的重视。
目的：阐述血管内皮生长因子和缺氧诱导因子及其他可能因素对软骨细胞凋亡的影响。
方法：分析、总结近年来软骨细胞凋亡的影响因素的相关文献，从骨关节炎进程中软骨细胞血管内皮生长因子表达变化，血管内皮生长因子和缺氧诱导因子对软骨细胞凋亡的调控等方面进行阐述。
结果与结论：血管内皮生长因子通过上调抑制细胞凋亡因子的表达促进软骨细胞存活，缺氧诱导因子能增加软骨细胞活性和细胞外基质合成，成为抑制骨细胞凋亡的重要靶点，血管内皮生长因子与缺氧诱导因子的相关性还有待进一步研究。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 组织构建, 软骨细胞, 骨关节炎, 软骨关节, 细胞凋亡, 细胞因子, 血管内皮生长因子, 缺氧, 缺氧诱导因子1, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Osteoarthritis is a joint disease that primarily affects the cartilage. With the changes of the extracellular matrix, chondrocytes appear to have apoptosis. Vascular endothelial growth factor plays an important role in promoting endothelial cell division and proliferation and inducing angiogenesis. Hypoxia-inducible factor is a cellular transcription factor and produces different reactions due to the oxygen content. Vascular endothelial growth factor and hypoxia-inducible factor are focused on inhibiting chondrocyte apoptosis.
OBJECTIVE: To elaborate the effects of vascular endothelial growth factor and hypoxia-inducible factors on chondrocyte apoptosis.
METHODS: Recent literatures related to chondrocyte apoptosis were summarized and analyzed. During the process of osteoarthritis, changes in vascular endothelial growth factors in chondrocytes and regulatory effects of vascular endothelial growth factor and hypoxia-inducible factor on chondrocyte apoptosis were elaborated.
RESULTS AND CONCLUSION: Vascular endothelial growth factor promote the survival of chondrocytes by upregulating the expression of anti-apoptotic factors, and hypoxia-inducible factor can increase the activity of chondrocytes and extracellular matrix synthesis, which has become an important target for inhibition of chondrocyte apoptosis. However, the correlation between vascular endothelial growth factor and hypoxia-inducible factor remains to be further studied.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Vascular Endothelial Growth Factors, Hypoxia-Inducible Factor 1, Chondrocytes, Apoptosis

中图分类号:

R318

周建林，方洪松，彭昊，邓爽，翁金清，刘丰，陈森，周观金. 血管内皮生长因子和缺氧诱导因子对软骨细胞凋亡的作用[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(29): 4705-4709.

Zhou Jian-lin, Fang Hong-song, Peng Hao, Deng Shuang, Weng Jin-qing, Liu Feng, Chen Sen, Zhou Guan-jin . Vascular endothelial growth factor and hypoxia-inducible factor suppress chondrocyte apoptosis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(29): 4705-4709.

图/表（结果） 1

2.1 血管内皮生长因子对软骨细胞凋亡的影响
2.1.1 血管内皮生长因子的生物学特性与功能血管内皮生长因子可由多种细胞分泌，如内皮细胞、成骨细胞、角朊细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞及一些间质和基质细胞等[14]。血管内皮生长因子在促进血管内皮细胞分裂与增殖、诱导血管生成、胚胎发育、创伤愈合、肿瘤生长与转移等生理和病理性血管新生中有重要作用。陈勇等[15]研究认为血管内皮生长因子属于血小板源性生长因子家族的成员，在一般正常组织中表达水平较低，在一些病理情况下的组织血管内可以过度表达。Knudsen等[16]研究发现新生血管生成对血管翳的产生和维持具有重要意义。Maeda等[17]研究结果显示，血管生成是原始血管丛或已存在的血管经芽生或其他方式形成新管的过程，从而进一步证明了血管内皮生长因子与血管新生有着密切的联系，并可独自诱导新生血管形成，血管内皮生长因子是正常和异常血管新生的重要调节因子。
2.1.2 血管内皮生长因子的表达变化与软骨细胞凋亡发生的关系人们很早就认识到血管内皮生长因子与软骨细胞在物理和生物化学上的密切关系。血管内皮生长因子是对血管内皮细胞具有特异性的肝素结合生长因子，可在体内诱导血管新生。其中每种因子作用各不相同，但都与促进血管生成与分化相关[18-19]。有研究通过实验研究发现在骨关节炎晚期，血管内皮生长因子在软骨细胞中的表达增加，血管内皮生长因子还能影响软骨细胞的增殖、迁移、凋亡和代谢[20-21]。Mohan等[22]实验结果显示软骨内化骨的软骨细胞主要由间充质细胞转化而来，最终以细胞凋亡的方式清除，在这一过程中，血管内皮生长因子起着极为重要的作用，诱导着软骨细胞的分化、增殖、趋化、聚集及凋亡等一系列复杂变化。国内王松等[23]研究发现血管内皮生长因子可能直接与软骨细胞凋亡发生有关。这些研究表明血管内皮生长因子与骨关节炎的发病密切相关，骨关节患者的关节软骨中缺氧环境及关节软骨受到过强负荷刺激，可以诱导软骨细胞合成和分泌血管内皮生长因子增多。
Kim等[24]研究发现，血管内皮生长因子通过上调抑制细胞凋亡因子的表达促进软骨细胞存活。Surendran等[25]研究发现，应用抑制细胞凋亡因子基因转染对软骨细胞调亡有促进作用成为骨关节炎的一个治疗靶点，然而骨关节炎中高表达的血管内皮生长因子与低表达的抑制细胞凋亡因子之间形成一对矛盾，这有待进一步研究证实。Horner等[26]研究发现人体的骺板软骨钙化区的肥大软骨细胞表达血管内皮生长因子，而静止区的软骨细胞则不表达，仅有部分增埴区域的软骨细胞偶尔表达少量的血管内皮生长因子，但软骨钙化区的低度肥大软骨细胞分泌的血管内皮生长因子量最大。以上研究结果说明，血管内皮生长因子在软骨内成骨过程中，不但血管内皮生长因子依赖性血管新生对软骨吸收与骨形成是必须的，而且血管内皮生长因子对骨动态平衡的作用是复杂而有效的[27]。
2.2 缺氧诱导因子在软骨细胞凋亡中的调控低氧环境是软骨细胞生存的重要的微环境，可调节软骨细胞适应低氧环境，提高软骨细胞生存能力。Murphy等[28]在体外软骨细胞培养中，发现在每个培养基上和每个细胞成份中，胶原和糖胺多糖合成量在低氧分压下较少。特别是在1%的氧浓度中，基质的糖胺多糖成份达到一个稳定的水平，在以后的2周内没有增加。然而在20%的氧浓度中，基质的糖胺多糖成份随时间而增加。可以断定氧气浓度在细胞外基质大分子合成上有重要的影响。
缺氧诱导因子是存在于哺乳动物体内细胞中一类介导低氧适应性反应的转录因子，因氧含量而产生不同反应，主要是在缺氧的情況下活化(图1)。目前发现的不同亚型分别为缺氧诱导因子1α、缺氧诱导因子2α和缺氧诱导因子3α。以往对缺氧诱导因子1α相关研究报道较多，而缺氧诱导因子2α在关节软骨中的作用却较少有研究。1992年，Semenza等[29]在缺氧诱导的肝细胞癌细胞株Hep3B细胞核提取物中发现一种蛋白质，命名为缺氧诱导因子1α。在1997年，Tian等[30]首次在内皮细胞发现的一类缺氧诱导因子，命名为缺氧诱导因子2α。尽管缺氧诱导因子1α和缺氧诱导因子2α有很多相似之处，但是它们之间也有很多区别。在不同的细胞中它们生物学作用也不尽相同。缺氧诱导因子1α有广泛的表达，而缺氧诱导因子2α有更多的组织限制性[31]。
任步方等[33]对低氧环境对小鼠未成熟关节透明软骨细胞培养的影响进行了研究，结果显示，软骨细胞能通过调节氧感应基因适应低氧环境，缺氧诱导因子1α可能起关键作用，低氧能在一定程度上增加软骨细胞活性和细胞外基质合成，模拟体内氧环境培养细胞能更好地了解软骨细胞特性。Saito等[31]研究发现随着关节软骨退变程度的加剧，缺氧诱导因子1α蛋白的表达也增加。近年来研究发现缺氧诱导因子2α在关节软骨细胞代谢的重要作用[34]，缺氧诱导因子2α聚集增多并与缺氧诱导因子1β结合，发生活化作用。目前认为血管内皮生长因子与缺氧诱导因子2α在关节软骨中密切关联作用。血管内皮生长因子是缺氧诱导因子1α和缺氧诱导因子2α重要的靶基因之一，为目前公认的最强的促血管形成作用。Pietras等[35]通过研究认为缺氧诱导因子2α也增强了血管内皮生长因子启动子的活动，诱导血管内皮生长因子表达，缺氧诱导因子2α在关节软骨细胞代谢中发挥着重要的角色。

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引言

骨关节炎主要表现为关节软骨的退行性变，关节软骨覆盖骨骼间的关节，因此不含任何血管、淋巴管或神经纤维。关节软骨只由一种特别的细胞类型组成，即软骨细胞，可以产生和维持软骨的细胞外基质，即胶原(大都为Ⅱ型胶原)和蛋白多糖(主要为聚集蛋白多糖)。关节软骨退行性变后软骨细胞发生凋亡和变性，导致生成的细胞外基质成分发生病理学改变。主要以关节软骨破坏、软骨血管长入、溃疡形成乃至脱落、软骨下骨增生和骨赘形成为主要病理特征[1]。临床表现以关节疼痛肿胀，僵硬和功能障碍为主要症状。骨关节炎的的致病因素复杂，多因素导致的关节软骨细胞变性，是骨关节炎发病的病理学基础[2]。尽管多年来对其进行了大量的研究，但其发病机制尚不完全明确，软骨细胞在骨关节炎的发生、发展中起着至关重要的作用[3]。细胞因子作为调节者，通过各种机制对软骨细胞凋亡的影响起到了重要的作用。李雪峰等[4]发现在骨关节炎患者血清及关节液中检测到血管内皮生长子的表达，提示血管内皮生长因子在骨关节炎软骨退变的发病过程中发挥着重要作用。这与Bonnet[5]和Lingaraj等[6]报道一致。
血管内皮生长因子又名血管通透因子或促血管因子，是当前研究最多的细胞因子之一，是内皮细胞特异性促有丝分裂原，通过调节内皮细胞生长、新生血管形成和炎性细胞的趋化性，具有促进内皮细胞增生、迁移及增加血管通透性的作用，维持血管正常的形态和完整性，在软骨细胞凋亡过程中起着非常重要的作用[7]。血管内皮生长因子是血管生成的重要介质，在许多生理和病理情况下可以诱导毛细血管的生长[8-9]。Murphy[10]研究发现血管内皮生长因子在骨关节炎软骨细胞中表达增加，在骨关节炎软骨退变的发病过程中发挥着重要作。Pfander等[11]通过对膝骨关节炎患者关节软骨的研究结果显示，病损的关节软骨表面覆盖一层富含血管的肉芽组织，在健康对照膝关节软骨表达血管内皮生长子的细胞数量很少，但在患者的关节软骨表达血管内皮生长子的细胞数量高表达。Enomoto等[12]研究发现骨关节炎关节软骨细胞可以产生血管内皮生长因子。国内邱波等[13]的研究也正是了骨关节炎患者关节软骨中血管内皮生长因子的分泌量明显高于健康对照组，但血管内皮生长因子导致骨关节炎软骨退变的作用机制仍不清楚。
缺氧诱导因子是由一个α亚基和一个β亚基组成的异源蛋白二聚体，在细胞中，缺氧诱导因子蛋白的含量会因低氧而升高，在缺氧状态下，通常会让细胞持续的细胞分化，其含量在数小时内就会上升，缺氧状态促进了血管新生，在无数细胞活动和发育过程中涉及缺氧诱导因子，包括细胞增殖、血管新生和细胞周期终止。缺氧诱导因子于软骨细胞的存亡有重大的影响，他能使软骨细胞适应在骨骼间生长板的缺氧环境。如果动物贫血或低氧，血管内皮生长因子和缺氧诱导因子对软骨细胞凋亡的作用及其他影响因素近年来备受关注，文章就血管内皮生长因子和缺氧诱导因子的生物学特性及两者在软骨细胞凋亡中的发生机制、病理改变中的作用等方面进行综述。

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